光網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延特性分析及優(yōu)化思路

余景文　中國電信股份有限公司北京研究院高級(jí)工程師李俊杰　中國電信股份有限公司北京研究院教授級(jí)高級(jí)工程師

光網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延特性分析及優(yōu)化思路

余景文中國電信股份有限公司北京研究院高級(jí)工程師
李俊杰中國電信股份有限公司北京研究院教授級(jí)高級(jí)工程師

總結(jié)了當(dāng)前對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有較高要求的4種典型業(yè)務(wù)，通過分析光網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性，得出了具體的優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的思路。

低時(shí)延；光網(wǎng)絡(luò)；OTNSDH

1　引言

近幾年來，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延（Delay/Latency）性能越來越得到人們的重視，逐漸成為通信業(yè)界的新熱點(diǎn)。低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)也成為運(yùn)營商所關(guān)注的發(fā)展方向。

光傳送網(wǎng)作為最基礎(chǔ)的承載網(wǎng)絡(luò)，在各類通信技術(shù)中擁有最低和最穩(wěn)定的時(shí)延性能。但是隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的深入發(fā)展，電信網(wǎng)絡(luò)開始與各行各業(yè)深度融合，某些新興行業(yè)和業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延提出了近乎苛刻的需求，某些需求甚至到了現(xiàn)有光傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)無法滿足的程度。因此，非常有必要對低時(shí)延業(yè)務(wù)需求進(jìn)行深入分析，從而進(jìn)一步研究光傳送網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延優(yōu)化技術(shù)，以更好地滿足這些低時(shí)延業(yè)務(wù)的需求。

2　低時(shí)延的業(yè)務(wù)需求

目前，明確提出低時(shí)延需求的業(yè)務(wù)有4類：第一是金融和電子交易類用戶，特別是大家耳熟能詳?shù)膹氖缕谪浀犬a(chǎn)品高頻交易（HFT：High Frequency Trading）的電子交易類用戶；第二是基于TCP協(xié)議的高清視頻類業(yè)務(wù)，包括4/8K高清視頻直播和點(diǎn)播業(yè)務(wù)、高清視頻會(huì)議、以及未來的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等實(shí)時(shí)性要求極高的大帶寬業(yè)務(wù)；第三是部分云業(yè)務(wù)，特別是虛機(jī)遷移、數(shù)據(jù)熱備份和實(shí)時(shí)性要求比較高的云桌面、云支付等業(yè)務(wù)；第四是尚處于研究階段的未來5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的傳送承載業(yè)務(wù)，目前5G網(wǎng)絡(luò)對傳送承載層預(yù)留的時(shí)延指標(biāo)非?？量?，需要一些低時(shí)延傳輸新技術(shù)加以保障。

2.1金融/交易類業(yè)務(wù)對低時(shí)延的極致需求

在發(fā)達(dá)的金融和交易市場中（尤其是美國），高頻交易（HFT：High Frequency Trading）或稱為機(jī)器交易、

算法交易已經(jīng)興起多年，交易品涵蓋了期貨、股票、外匯等多個(gè)領(lǐng)域。“時(shí)間就是金錢”這句諺語在高頻交易業(yè)務(wù)中充分顯示的是其現(xiàn)實(shí)意義，因此金融和電子交易公司對低時(shí)延的追求達(dá)到極致：一方面這些公司的服務(wù)器盡可能部署在交易機(jī)構(gòu)（NYSE紐約股票交易所、NASDAQ納斯達(dá)克股票交易所、CME芝加哥期貨交易所等）的服務(wù)器附近，最好是相同的機(jī)房；另一方面，這些公司對低時(shí)延傳輸電路的追求也達(dá)到了白熱化。最為著名的案例是某HFT公司甚至建設(shè)了紐約（NYSE所在地）到芝加哥（CME所在地）的微波中繼系統(tǒng)，其目的是追求單向時(shí)延從6.55ms到4.25ms的優(yōu)化效果，如圖1所示。

2.24/8K高清視頻/虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)的高吞吐量需求

TCP協(xié)議已經(jīng)成為Internet主流，TCP的確認(rèn)機(jī)制保證了可靠性，但也帶來了吞吐量受限的問題，參見公式（1）：TCP吞吐量受限于3個(gè)因素，帶寬BW、往返時(shí)延RTT和丟包率ρ。假設(shè)帶寬足夠，且良好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量可以不考慮丟包率，則時(shí)延成為決定性因素。如果時(shí)延過大，客戶體驗(yàn)帶寬無法提升，此時(shí)僅提高帶寬無法解決問題，形象的稱之為“帶寬黑洞”。

目前，TCP協(xié)議包頭表征擁塞窗口（CWND）大小是16位，因此CWND最大值是64K字節(jié)（65536 Bytes）；MSS（Maximum Segment Size）是最大段長度，一般是1460字節(jié)，傳輸網(wǎng)中一般可以假設(shè)丟包率為零，因此最后一項(xiàng)不需要考慮；假設(shè)帶寬（BW）為10Gbit/s，單向時(shí)延10ms（往返時(shí)延RTT為20ms）；根據(jù)上述公式，TCP協(xié)議的最大吞吐量只有26.3Mbit/s，遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)帶寬。

圖1　紐約至芝加哥微波中繼電路時(shí)延性能示意圖

雖然業(yè)界也提出了一些新技術(shù)來解決TCP協(xié)議的滑動(dòng)窗口受限問題，例如RFC7323將滑動(dòng)窗口的總大小擴(kuò)展為30bit（230= 1073725440Bytes），應(yīng)用層軟件采用UDP傳輸或者多TCP線程也可以改善滑動(dòng)窗口帶來的吞吐量限制；但是，這些解決方案需要網(wǎng)絡(luò)整體的升級(jí)改造，短期內(nèi)難以全面部署?；诂F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，降低時(shí)延是解決TCP協(xié)議滑動(dòng)窗口受限問題的最直接和最有效的手段。

2.3實(shí)時(shí)性云業(yè)務(wù)的低時(shí)延需求

最典型的實(shí)時(shí)性云通信業(yè)務(wù)是虛擬機(jī)遷移，例如熱遷移通常要求時(shí)延低于10ms。此外，云數(shù)據(jù)熱備份、云災(zāi)備、高通量協(xié)同計(jì)算等云通信業(yè)務(wù)也有著嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求。

隨著越來越多的上層業(yè)務(wù)遷移到云上，為了滿足用戶體驗(yàn)，同樣也會(huì)對云承載網(wǎng)絡(luò)提出嚴(yán)格的時(shí)延需求，例如云支付業(yè)務(wù)的最佳體驗(yàn)需要時(shí)延低于10ms、云桌面業(yè)務(wù)的最佳體驗(yàn)需要時(shí)延低于20ms等。

2.45G移動(dòng)通信的低時(shí)延承載需求

5G目前處于起步階段，提出了非常遠(yuǎn)大的愿景。ITU已將5G標(biāo)準(zhǔn)正式命名為IMT-2020，我國IMT-2020（5G）推進(jìn)組在2014年發(fā)布的題為《5G愿景與需求》白皮書中提出了5G的關(guān)鍵技術(shù)能力，包括：0.1～1Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率、每平方公里100萬的連接數(shù)密度、毫秒（ms）級(jí)的端到端時(shí)延、每平方公里數(shù)十Tbit/s的流量密度、每小時(shí)500公里以上的移動(dòng)性和數(shù)十Gbit/s以上的峰值速率見圖2。

5G還是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù)，各項(xiàng)性能指標(biāo)尚未最終確定，但是可以確定的是5G相對于4G/LTE，對時(shí)延的要求更加苛刻。

圖2　ITU-RM.2083定義的IMT-2020（5G）關(guān)鍵能力指標(biāo)

3　光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延優(yōu)勢

基于最基礎(chǔ)的光纖光纜和最低的單位帶寬×距離傳輸成本，光網(wǎng)絡(luò)是目前主流通信技術(shù)中具有最低時(shí)延優(yōu)勢的技術(shù)。光網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延優(yōu)勢源于其對業(yè)務(wù)信號(hào)處理層次極低，在全光傳輸距離可達(dá)范圍內(nèi)，除了5μs/km的光纖固有傳輸時(shí)延以外，光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備引入的時(shí)延均為ns級(jí)。OTN等傳輸設(shè)備進(jìn)入了L1層處理，單節(jié)點(diǎn)的時(shí)延多數(shù)也是在10μs級(jí)（復(fù)雜封裝結(jié)構(gòu)下可能達(dá)到100μs級(jí)）。相對于交換機(jī)、路由器等L2、3層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備單節(jié)點(diǎn)引入的1～10ms量級(jí)的時(shí)延，光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)引入時(shí)延只有其1‰～1％。表1給出了網(wǎng)絡(luò)中L0層至L3層各種網(wǎng)元引入時(shí)延的數(shù)量級(jí)分布。

表1　網(wǎng)絡(luò)電路時(shí)延分析

4　光網(wǎng)絡(luò)時(shí)延構(gòu)成分析

進(jìn)一步優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)電路時(shí)延需要深入分析光網(wǎng)絡(luò)電路中的時(shí)延分布。假設(shè)有一條光網(wǎng)絡(luò)電路長度為2000公里（5μs/km），經(jīng)過了4個(gè)電中繼站（100μs/站）、30個(gè)光放站點(diǎn)（100ns/站）。假設(shè)采用色散補(bǔ)償光纖DCF進(jìn)行色散補(bǔ)償（0.625μs/km），整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過的尾纖和跳纖總長度5km。我們簡單測算一下各個(gè)部分的時(shí)延貢獻(xiàn)比例，傳輸光纖時(shí)延比重大約85％左右，占據(jù)決定性位置；若再加上DCF時(shí)延，光纖整體時(shí)延比重近95％。光傳送網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入100Gbit/s時(shí)代以后全面采用相干光通信技術(shù)，線路上不再需要DCF，進(jìn)一步降低了電路時(shí)延。與采用DCF的10Gbit/s光傳輸系統(tǒng)相比較，100Gbit/s光傳輸電路在相同的光纜路由條件下，能夠降低10％左右。這也是相干光通信帶來的另一個(gè)好處。在相干光通信網(wǎng)絡(luò)中，光纜傳輸時(shí)延占到光網(wǎng)絡(luò)電路時(shí)延的90％以上。

綜上所述，光網(wǎng)絡(luò)不僅是目前主流通信技術(shù)中具有最低時(shí)延優(yōu)勢的技術(shù)，而且光網(wǎng)絡(luò)電路時(shí)延具有良好的可預(yù)測性。

5　光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)延的構(gòu)成分析

雖然光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備引入時(shí)延比重較低（5％左右），但是在光纜路由無法進(jìn)一步優(yōu)化的條件下，設(shè)備時(shí)延還能提供一定的優(yōu)化空間，對于一些對時(shí)延要求積極苛刻的極端應(yīng)用場景，也有較大的價(jià)值。我們對OTN和SDH等兩種主要的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行分析。

對于OTN技術(shù)，基于對100Gbit/sOTU板卡的量化分析，F(xiàn)EC編解碼是L1層處理時(shí)延的主要來源，占比在80％以上；業(yè)務(wù)封裝和成幀占據(jù)了其余的20％。業(yè)務(wù)類型和映射方式對時(shí)延的影響在μs量級(jí)，一般而言支路側(cè)速率越低、映射路徑越長，封裝時(shí)延越長。更進(jìn)一步研究表明，在相同條件下，GMP封裝時(shí)延低于GFP-T，GFP-T封裝時(shí)延低于GFP-F，但是這種差異是μs量級(jí)甚至亞μs量級(jí)，一般而言不需要考慮。

對于SDH技術(shù)，由于容器顆粒比較小，業(yè)務(wù)類型對封裝和映射時(shí)延的影響相對比較大，特備是以太網(wǎng)業(yè)務(wù)在SDH網(wǎng)絡(luò)中一般采用GFP-F封裝，相對于TDM的封裝時(shí)延有明顯增加，隨著ETH包長的增長，封裝時(shí)延也會(huì)變長。理論分析和實(shí)驗(yàn)室測試均表明，SDH設(shè)備若采用低階VC12映射，封裝時(shí)延會(huì)顯著增加，達(dá)到ms量級(jí)；若采用高階VC4映射，封裝時(shí)延為10μs至100μs量級(jí)。以太網(wǎng)業(yè)務(wù)幀長度越大，封裝時(shí)延越長，其影響在VC12低階封裝條件下更加顯著。

6　光網(wǎng)絡(luò)時(shí)延優(yōu)化思路

基于光網(wǎng)絡(luò)時(shí)延構(gòu)成的量化分析，光纖傳輸時(shí)延占據(jù)光網(wǎng)絡(luò)電路時(shí)延的90％以上，因此光網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的首要優(yōu)化舉措是路由優(yōu)化，盡可能降低路由長度。優(yōu)化路由距離的時(shí)延優(yōu)化結(jié)果非常容易量化，每減少1公里的路由距離，業(yè)務(wù)雙向傳輸時(shí)延（RTT）減低10μs。

如光纜路由不具備進(jìn)一步優(yōu)化空間，光網(wǎng)絡(luò)依舊可以提供一些額外的時(shí)延性能優(yōu)化手段。但是需要明確的是，大部分技術(shù)優(yōu)化手段所能優(yōu)化的幅度都比較小。

（1）提高傳輸速率：這是非常好理解的技術(shù)手段，相同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量，傳輸時(shí)延與傳輸速率成反比；

（2）減少光電光OEO再生次數(shù)：每次OEO再生都需要引入FEC編解碼、封裝、解封裝的一系列操作，帶來100μs量級(jí)的時(shí)延。

（3）采用OTN傳輸技術(shù)：OTN的業(yè)務(wù)封裝和映射時(shí)延相對于SDH技術(shù)有明顯優(yōu)勢，在相同條件下低時(shí)延業(yè)務(wù)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇OTN技術(shù)承載。

（4）選擇合適的FEC糾錯(cuò)算法：在能夠滿足無電中繼傳輸以及系統(tǒng)性能、余量需求的前提下，應(yīng)當(dāng)選擇低時(shí)延的FEC糾錯(cuò)算法，降低FEC編解碼帶來的時(shí)延。

（5）考慮采用RAMAN放大器：RAMAN放大器一方面不需要摻鉺光纖（EDF）作為放大介質(zhì)，避免了EDF帶來的額外時(shí)延，另一方面還可以有效延長全光傳輸距離，減少OEO再生引入的時(shí)延。

7　結(jié)束語

隨著時(shí)延（Delay/Latency）性能越來越得到人們的關(guān)注，低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)也成為運(yùn)營商所關(guān)注的發(fā)展方向。光傳送網(wǎng)作為最基礎(chǔ)的承載網(wǎng)絡(luò)，在各類通信技術(shù)中擁有最低和最穩(wěn)定的時(shí)延性能，因此成為低時(shí)延傳輸業(yè)務(wù)的主要承載技術(shù)。理論分析及實(shí)驗(yàn)測試均表明，光纖傳輸時(shí)延占總時(shí)延的90％以上，因此時(shí)延優(yōu)化的首要目標(biāo)是優(yōu)化光纜路由、減少路由迂回；通過對設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的進(jìn)一步分析表明，還可通過優(yōu)化FEC算法、采用OTN承載以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、減少再生次數(shù)等技術(shù)手段進(jìn)一步優(yōu)化傳送網(wǎng)的時(shí)延指標(biāo)。

［1］The TABB Group LLC Report.High-Frequency Trading Is 77％ofUKMarket［R］.TABB，2011（1）.

［2］The TABB Group LLC Report.The Value of a Millisecond：Finding the Optimal Speed of a Trading Infrastructure［R］.TABB，2008（4）.

唯亞威出席中國光網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，助力下一代高速生態(tài)系統(tǒng)演進(jìn)

唯亞威（Viavi Solutions）于近日出席了在京舉辦的第16屆光網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，并與來自業(yè)內(nèi)的專家、運(yùn)營商代表、電信研究院、業(yè)內(nèi)主要設(shè)備廠商、光纖廠商等行業(yè)代表分享公司最新的技術(shù)和動(dòng)態(tài)。此次研討會(huì)旨在關(guān)注光通信產(chǎn)業(yè)最新的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的問題以及未來發(fā)展趨勢。

在下午舉辦的光網(wǎng)絡(luò)專題會(huì)場，唯亞威中國區(qū)技術(shù)經(jīng)理沙慧軍就“Viavi唯亞威助力下一代高速生態(tài)系統(tǒng)演進(jìn)”為主題詳細(xì)闡述了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及基于云構(gòu)架趨勢下的數(shù)據(jù)需求將迎來爆炸性增長，所有網(wǎng)絡(luò)的任何節(jié)點(diǎn)都在面臨著帶寬迅速蠶食的巨大壓力，因此所有產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈都在積極投入大量資源進(jìn)行下一代更高速、更經(jīng)濟(jì)可靠的網(wǎng)絡(luò)接口及系統(tǒng)的研制和驗(yàn)證（第二代100G系統(tǒng)接口、400GE、OTUCn、50GE、200GE、FlexE、FlexO等）。Viavi唯亞威作為全球領(lǐng)先的測試方案提供商，其創(chuàng)新性測試平臺(tái)正幫助整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈克服相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)，加快整個(gè)下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及演進(jìn)。

Analysis of the optical network latency and the optimize methods

YU Jingwen，LI Junjie

this paper concludes four sorts of typical low latency services.Based on the study of the latency characteristic of the optical network，the paper puts forward some corresponding optimize methods.

low latency；optical network；OTN；SDH

（2016-06-27）